机载设备雷电瞬态信号防护

发布日期:2017.02.17

       机载设备在进行雷电瞬态敏感度试验时,如果防护设计不够充分,雷电瞬态信号可能对设备造成干扰甚至损坏。如果出现这种情况,可以通过增加雷电抑制器、雷电防护模块/防护板或者雷电抑制元器件来进行整改。
1 雷电抑制器
       雷电抑制器是一种可以限制瞬态过电压并泄放雷电电流的设备,雷电抑制器把感应到信号或电源的瞬时过电压限制在设备所能承受的范围之内,或将瞬时雷电电流泄放,保护设备或系统不受冲击损坏。
       雷电抑制器分为以下几类,包括天馈雷电抑制器、机载电源雷电抑制器、信号雷电抑制器等。信号雷电抑制器分为以太网雷电抑制器、串行232通讯雷电抑制器、422/485通讯雷电抑制器等。信号雷电抑制器可根据客户需求定制。
1.1 天馈雷电抑制器
       信号接收端通过接口将信号引入抑制器内部的电路板上,经由电路对干扰滤除后从输出端子输出信号。抑制器外壳上有固定地线的端子,用导线和大地相连。图1所示为现有的天馈雷电抑制器。
图1 天馈雷电抑制器
       天馈雷电抑制器的主要技术指标中,电流流通能力即通流容量是最主要的特性要求,它决定了产品的雷电防护等级。插入损耗和驻波比,代表天馈雷电抑制器在使用后给天馈传输效率带来的影响。频率范围、特性阻抗等参数要与对应频段的天馈进行匹配,才能满足该天馈的使用条件。
1.2 机载电源雷电抑制器
       电源雷电抑制器是保护机载设备供电端不受雷电干扰而设计的,由电源输入端、雷电抑制及滤波部分和电源输出端三部分组成。
       航空电源雷电抑制器主要针对30V以下的直流电源的雷电防护,包括电源EMI滤波功能。电源通过航插接入抑制器后,经雷电抑制电路处理,将雷电流的间接干扰脉冲抑制掉,通过泄放通道直接入地。再对电源进行EMI滤波处理,组成一个综合的机载电源保护设备。图2为某型航空电源雷电抑制器实物图。
图2 航空电源雷电抑制器
1.3 以太网雷电抑制器
       以太网雷电抑制器主要防护雷电干扰进入网络内对网络设备的损害,由信号输入端、雷电抑制部分、信号隔离部分以及信号输出四个部分组成。
       以太网雷电抑制器主要针对以太网设备的防护,包括网络交换机、路由器、服务器等设备。正常使用不影响网络传输速率及网络的稳定性,在雷电间接干扰对网络设备产生影响时,能够及时的起到防护作用。如图3为以太网雷电抑制器实物图。和传统的以太网雷电抑制器相比,该抑制器具有2级以上的防护能力,最大程度的保护设备的使用稳定性。
图3 以太网雷电抑制器
1.4 串行232通讯雷电抑制器
       232串口雷电抑制器内置了232电平转换部分,结合雷电防护功能,既实现雷电防护,又可以作为串口转换模块使用。由信号输入端、雷电抑制部分、串口电平转换以及信号输出四部分组成。
       232串口雷电抑制器在传统232串口通讯电路的基础上增加了2-3级的雷电防护电路,在保证通讯稳定使用的情况下,增强了对雷电的抑制能力。传统的抑制器一般只增加一级的保护,在雷电干扰较为强烈的场所很容易防护失败导致232通讯的中断。
1.5 422/485通讯雷电抑制器
       422/485通讯雷电抑制器结构类似于232串口雷电抑制器,均采用雷电抑制和通讯转换结合的方式,由信号输入端、雷电抑制部分、422/485通讯转换以及信号输出四部分组成。
图4 422/485通讯雷电抑制器
 2 雷电防护模块和雷电防护板
2.1 雷电防护模块
       雷电抑制器的形式多样,除了上述安装于设备外部具有外壳的抑制器外,还有模块化和PCB板形式的雷电抑制器。模块化的雷电抑制器安装于用户PCB板上,通过底部针脚与用户PCB对插,节省了空间,整体设计美观;模块引线短,减小了电流泄放距离,防雷效果更好。雷电抑制器模块的类型均涵盖了电源及信号的雷电防护。
如图6所示为雷电抑制器模块图。防雷电路安装于外壳内部,经过灌封,通过插针与PCB板对插。
图6 雷电抑制器模块
2.2 雷电抑制板
       雷电防护板根据用户的要求设计,一般情况下,由于设备的空间有限,没有足够的位置外加防雷产品,或者不适宜增加防雷模块到PCB板上,这种情况下,一般考虑将防雷电路安装于设备的航插输入端,与航插形成对接,再经过引线输出到用户电路板。雷电抑制板体积较小,与航插对插后,减少了引线长度,雷电流泄放距离短,对设备的影响小。
如图7所示为雷电抑制板,通过板中间的孔和航插对插。通过板上的焊盘孔与用户PCB板接线。
图7 雷电抑制板
3 雷电抑制器件
       雷电防护形式多样,根据不同的防雷等级,雷电抑制的方法都是不同的,针对低等级的雷电防护,单一的防雷元件也可以实现。
3.1 气体放电管
       气体放电管泄放电流能力较强,一般作为第一级的雷电防护器件使用。防雷等级低的情况下可以使用一个或几个气体放电管并联来实现防雷保护。如图8所示为气体放电管。
图8 气体放电管
3.2 压敏电阻
       压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护。如图9所示为压敏电阻。压敏电阻一般不单独使用,和保险串联构成防雷回路使用。
  
图9 压敏电阻
3.3 瞬态抑制二极管
       瞬态抑制二极管简称TVS,是一种二极管形式的浪涌保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态浪涌冲击时,它能以10的负12次方秒(ps)的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。

       由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流 低、击穿电压偏差 、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、电子镇流 器、家用电器、仪器仪表、1553b/422/429/485、以太网的抑制等各个领域。如图10所示,为TVS二极管的实物图。




图10 瞬态抑制二极管
4 总结

       机载设备必须进行雷电间接效应防护设计,否则在雷电瞬态敏感度试验中可能无法通过。有多种方式对设备进行防护,应根据设备的试验等级、接口、结构等具体情况选择合适的方式,实现有效防护。



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